效法自然
——纤维锂离子电池

智能织物商业化的重要瓶颈是缺少与之充分集成的供能系统。因为传统的电池或电容器多为二维刚性平面，质量大、体积大，不可穿戴。一维的纤维能源器件质量小、柔性好、可集成、能编织，并且能在织物形变下保持电化学性能稳定，能满足如今各种便携式电子设备的发展需要。

过去人们普遍认为，纤维电池的内阻随长度增加而增大，会限制电池往高性能化发展。但后来科学家发现，随着纤维电池长度的增加，其内阻逐渐降低并趋于稳定，呈现独特的双曲余切函数关系。这一发现为纤维电池的连续化制备和应用提供了可能性，经过不断地探索和工艺创新，研究人员研制出了电化学性能优异且稳定的纤维锂离子电池。如今，这样的电池已经面世，并能规模化制备了，取得了从实验室层面到规模化生产的突破 ^[3] 。电池的质量能量密度达到128瓦时/千克，能够满足很多生产生活应用的需要。目前可以连续化制备米级的纤维锂离子电池，同时实现在一定长度范围内电池的容量随着长度增加而线性增加，未来这样的纤维会做得更细、更长、更柔软。如果把纤维锂离子电池与无线充电装置结合起来，那么把手机揣在口袋里不用连线，手机就可以自己充电了。一件由纤维锂离子电池制成的衬衣所储存的电量可以把十几部智能手机的电充满。此外，由于纤维有很大的比表面积和高孔隙率，所以它散热特别快，其升温几乎可以忽略，可以长期覆盖在人体皮肤上且让人觉得舒适。做成的衣物即使经过数百次洗涤以及在高温、低温、真空环境和外力破坏（如一部分纤维被切断）等极端条件下，它依然可以稳定供电 ^[4] 。

不过，当把电池穿在身上的时候，大家可能会担心它的安全性，例如现在的电池充电时会发热，遇火会燃烧。与传统电池所用的有机液态电解质相比，纤维锂离子电池所用的材料是高分子凝胶电解质（像果冻一样，甚至可以做成全固态），具有更好的安全性能。

这种高分子凝胶电解质在纤维锂离子电池中的应用源于科学家对自然植物的效法：爬山虎与被缠绕的植物藤蔓“如胶似漆”，是因为爬山虎能分泌一种具有良好浸润性的液体，渗透到两者接触表面的孔道结构中，随后液体中的单体发生聚合反应，将爬山虎与被缠绕的植物藤蔓粘在一起。这为解决高分子凝胶电解质难以与纤维电极形成紧密稳定的接触界面，导致电池储能低这一难题提供了很大的灵感。于是，研究团队设计了具有网络孔道和取向孔道的纤维电极，并设计单体溶液，使之渗入纤维电极的孔道结构中。单体发生聚合反应后生成高分子凝胶电解质，从而与纤维电极形成紧密稳定的界面，实现了纤维锂离子电池的高安全性与高储能性能。这一研究成果于2024年4月24日以“基于高分子凝胶电解质的高性能纤维电池”为题发表于《自然》杂志 ^[5] 。